DESY betreibt nicht nur diverse Beschleunigeranlagen, sondern arbeitet auch an vielversprechenden Konzepten für die Zukunft: „Die Laser-Plasmabeschleunigung soll eines Tages Anlagen möglich machen, die deutlich kompakter, platzsparender und kostengünstiger sind als die heutigen Großgeräte“, sagt Wim Leemans, Direktor des Beschleunigerbereichs bei DESY. Wie das innovative Konzept funktioniert, veranschaulicht nun eine optisch aufwendige Animation: Mit ihr lässt sich interaktiv und detailliert verfolgen, wie aus starken Laserblitzen nahezu lichtschnelle Elektronenbündel werden, die für die Forschung von ungemeinem Nutzen sind.

Teilchenbeschleuniger zählen zu den wichtigsten Werkzeugen der Wissenschaft: Unter anderem erzeugen sie extrem intensive Röntgenstrahlen, mit denen sich unterschiedlichste Materialproben durchleuchten und präzise analysieren lassen – von Biomolekülen über Halbleiter bis zu Gesteinsproben und archäologischen Fundstücken. Bei den gängigen Beschleunigern werden Radiowellen in Metallröhren, sogenannte Resonatoren, eingespeist. Auf diesen Wellen können die zu beschleunigenden Teilchen – meist Elektronen – wie Surfer auf einer Ozeanwelle reiten und werden dadurch vorangetrieben. Allerdings sind die maximalen Beschleunigungsspannungen, die sich damit erreichen lassen, begrenzt. Die Folge: Um Elektronen auf hohe Energien zu bringen, müssen viele Resonatoren hintereinandergeschaltet werden. Das lässt die Anlagen aufwändig und lang werden – zum Teil kilometerlang.

Deutlich höhere Beschleunigungsspannungen lassen sich mit einem anderen, noch jungen Verfahren erreichen, der Laser-Plasmabeschleunigung. Dadurch könnten die Anlagen in Zukunft stark schrumpfen und so die bestehende Beschleunigertechnologie ergänzen: Während viele moderne Beschleuniger heute hunderte Meter lang sind, ließe sich ein Plasmabeschleuniger für zahlreiche Anwendungen im Prinzip in einem Laborkeller aufbauen. „Bei DESY arbeiten wir seit mehreren Jahren an dieser neuen Technologie“, beschreibt Andreas Maier, leitender Wissenschaftler bei DESY. „Die Grundlage dafür sind mächtige und leistungsfähige Laser.“ Das Prinzip: Kurze Laserblitze feuern in ein Plasma, ein elektrisch aufgeladenes Gas. Darin erzeugt der hochenergetische Laserpuls eine Art Kielwelle, die dem Laserpuls folgt, ganz ähnlich wie die Kielwelle eines Bootes. Diese Welle, die sogenannte Plasmawelle, kann Elektronen auf einer Distanz von nur wenigen Millimetern enorm beschleunigen.

Das Prinzip funktioniert, ist aber noch nicht anwendungsreif. Hierbei soll ein neues DESY-Projekt namens KALDERA, an dem Maiers Team arbeitet, wichtige Durchbrüche bringen: „Bei den bisherigen Prototypen schaffen die Laser nur etwa einen Schuss pro Sekunde. Das macht die Laser-Plasmabeschleuniger nicht nur empfindlich gegenüber äußeren Störungen, sondern ist auch für konkrete Anwendungen viel zu wenig“, erläutert der Physiker. „Mit KALDERA entwickeln wir einen neuen Laser, der pro Sekunde etwa 1000 Lichtblitze und daraus wiederum Elektronenpulse erzeugt, was die Technologie dann konkurrenzfähig machen würde.“ Derzeit ist die Anlage in Vorbereitung; in drei Jahren soll sie ihre ersten Blitze produzieren.

Im Internet aber läuft der neue Superlaser bereits – in Form einer Webseite mit einer realitätsgetreuen 3D-Simulation von KALDERA. Um sie zu erstellen, hat sich Maiers Team mit dem Science Communication Lab zusammengetan. Die Kieler Agentur ist auf aufwändige digitale Visualisierungen von komplexen wissenschaftlichen Inhalten spezialisiert. „Die Simulation zeigt den gesamten Prozess, von der Entstehung der Laserblitze über die Beschleunigung der Elektronen bis hin zur Erzeugung von hochintensivem Röntgenlicht durch die schnellen Elektronen“, erläutert Konrad Rappaport, Mitgründer und Artdirektor von Science Communication Lab. „Das Geschehen lässt sich wie ein Film abspulen, doch man kann auch mit einem Schieberegler die einzelnen Schritte gezielt ansteuern und sich dann im Detail anschauen.“

Der Clou: Es gibt zwei Ebenen. Die Übersicht zeigt eine überaus realistisch wirkende 3D-Darstellung des geplanten Versuchsaufbaus: Der hochkomplexe Laser schießt seine Blitze durch Linsen und Spiegel in eine Plasmazelle. Dort bringt er Elektronen auf Trab, die dann in eine spezielle Magnetapparatur fliegen, in der sie starkes Röntgenlicht erzeugen.

Schaltet man dagegen auf „zoom“, öffnet sich die Tür zur Mikrowelt: Wie durch ein Supermikroskop ist zu erkennen, wie der Laserpuls im Detail erzeugt, verstärkt und durch Spezialoptiken maßgeschneidert wird. In der Plasmazelle erscheinen dann die Elektronen, wie sie durch das vom Laserblitz erzeugte, extrem starke elektrische Wechselfeld zu einem Paket gebündelt und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit katapultiert werden. Kurz danach presst eine Magnetlinse das auseinander driftende Elektronenpaket zusammen. Dadurch kann es in eine spezielle Magnetstruktur gelenkt und zu einer präzisen Slalomfahrt gezwungen werden – wodurch die winzigen Elektronen einen gleißend hellen Röntgenblitz aussenden.

„Mit dieser Webseite wollen wie die Faszination, die wir an unserer Forschung haben, auch für andere erlebbar machen“, erklärt Maier. „Menschen, die ohne Vorkenntnisse an die Sache herangehen, hoffen wir vor allem über die tolle Visualisierung anzusprechen. Und diejenigen, die sich tiefer für unsere Technik interessieren, bekommen diverse Zusatzinfos geboten.“ So illustriert eine Kurve, welcher Teil der Plasmazelle mit welchen Gasen gefüllt ist, um einen möglichst effizienten Beschleunigungsprozess zu erzielen. Ein anderes Detail veranschaulicht, wie ein raffinierter Regelmechanismus einen der Spiegel so hin und her manövriert, dass die Blitze stets optimal in der Plasmazelle landen.

„Die Animation der Laser-Plasmabeschleunigung basiert nicht auf irgendwelchen Special Effects, sondern auf fundierten wissenschaftlichen Daten“, betont Rappaport. „Um sie korrekt und zugleich visuell ansprechend gestalten zu können, haben wir intensiv mit den DESY-Physikern Manuel Kirchen und Sören Jalas zusammengearbeitet, und das hat hervorragend funktioniert und war wirklich produktiv.“ Künftig könnte die Kooperation sogar weitere Früchte tragen, denn das Team hat bereits neue Ideen: „Mein Traum wäre es, das Geschehen durch eine VR-Brille zu verfolgen und gemeinsam mit den Lichtpulsen und Elektronenbündeln durch die Anlage zu fliegen“, erzählt Rappaport. „Das stelle ich mir unglaublich vor!“

 

KALDERA-Website: https://kaldera.desy.de